BD/GPS雙模衛星通用導航模塊的設計與實現

【信息科學與控制工程】

BD/GPS雙模衛星通用導航模塊的設計與實現

龔江昆，達風

(武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢430079)

摘要：設計實現了一款BD/GPS雙模通用衛星導航模塊，可用于包括無人飛行器自主飛行控制與導航在內的多個領域。該模塊由包括導航核心模塊及外圍EEPROM、備用電池、天線接口、輸出接口等多個部分組成。通過設計軟件測試方案，進行實際測試，證明該模塊具有單模/雙模組合工作能力、定位速度快，定位精度高、接口豐富等優點，各項性能均達到了指標要求。

關鍵詞：BD/GPS；衛星導航模塊；軟件測試

收稿日期：2014-12-18

作者簡介：龔江昆(1989—)，男，碩士研究生，主要從事無人機自主飛行控制研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.027

中圖分類號：P228.4

文章編號：1006-0707(2015)06-0109-04

本文引用格式：龔江昆，達風.BD/GPS雙模衛星通用導航模塊的設計與實現[J].四川兵工學報，2015(6):109-112.

Citation format:GONG Jiang-kun, DA Feng.Design and Implementation of the BD/GPS Dual-System General Satellite Navigation Module[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):109-112.

Design and Implementation of the BD/GPS Dual-System

General Satellite Navigation Module

GONG Jiang-kun, DA Feng

(State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing,

Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Abstract:This paper designed and implemented a BD/GPS dual-system general satellite navigation module, which can be used to many fields, including the field of unmanned spacecraft autonomous flight control and navigation. The module consists of navigation core modules along with peripheral EEPROM, backup battery, antenna interface and output interface and other parts. Being proved by the actual software tests, the result shows that module has single mode/dual-mode integrated work ability, fast positioning speed, high positioning accuracy and the advantage of rich interfaces. In a word this module has achieved the design requirements.

Key words: BD/GPS; satellite navigation module; software tests

在自主導航系統中，衛星導航模塊居于核心地位。通過接收在軌衛星發射的無線電信號進行被動測距，衛星導航模塊可向系統提供實時位置、航速、航向和時間等信息，廣泛應用于船舶、地面駕駛器、飛行器等領域[1]。

常規導航模塊多采用GPS、GLNASS、BD系統等單系統，比如導航模塊U-BLOX NEO-6 GPS模塊。該模塊采用瑞士U-BLOX芯片NEO-6系列[2]。但是，該系列僅支持GPS系統，不支持雙系統，具有局限性。

鑒于我國自主研制的北斗導航系統正逐步完善并已具備區域定位導航能力，未來將具備全球定位導航能力，開展基于北斗的導航終端研制與應用已成為當前技術發展方向[3]，本研究設計并實現了一款BD/GPS雙模的導航模塊(產品代號Nemobg，下同)，用于包括無人飛行器自主飛行控制與導航在內的多個領域。Nemobg的設計要求如下：

1) 支持雙模組合導航，單獨使用BD導航系統或GPS導航系統。

2) 水平方向圓概率誤差5 m(開闊地)。

3) 具有掉電自恢復功能。

4) 寬電壓輸入。

5) 具有數據存儲功能。

1硬件設計

按照Nemobg的設計要求，選取的UM220III-N芯片[4]作為核心芯片，通過設計外圍電路，構建功能完善的導航模塊。Nemobg硬件系統框架如圖1所示。

圖1　Nemobg系統框架

1.1UM220III-N芯片

UM220III-N芯片是和芯星通公司的雙模多頻率高性能SoC(System-on-a-Chip)芯片，可以同時支持BD2 B1和GPS L1 2個頻點。其外形尺寸小，使用SMT焊盤，適用于低功耗、低成本的領域。除此之外，UM220III-N支持串口輸入輸出，提供1PPS輸出，包含一個外部中斷信號。

其性能標稱指標包括如表1所示。

表1　UM220III-N的標稱參數指標

1.2擴展電路

1.2.1電源管理

根據UM220III-N的工作電壓范圍，為滿足更多應用需求，設計了電源管理電路。該部分可以使該Nemobg工作電壓正常工作在3 V，誤差在2%以內，而輸入電壓可以3～6.5 V 之間，這樣一方面增大了輸入電壓范圍，另一方面也可以保證系統工作電壓的穩定。為了完成上述功能本模塊采用一款低壓差線性穩壓器NCP584[5]。NCP584是一款極低靜態電流的低壓差線性穩壓器，具有使能模式(CE mode)、快速轉換模式(FT mode)、低功耗模式(LP mode)，其輸出電壓精確且可以根據實際需要進行調節，具有線性調整率和負載調整率。此外，電源管理電路還增加了電源指示燈，方便用戶觀察上電情況；以及設計了備用電池接口，通過3V紐扣電池可以在掉電的情況下提供備用電源，增加了Nemobg系統的安全性。

1.2.2復位管理

由于UM220III-N及天線對電壓精度要求較高，當輸入電壓偏離允許范圍時，要求復位電路可以實時發現并且可以重新啟動系統，從而為整個Nemobg的安全性提供保障。因此，本模塊采用MAX809復位芯片[6]。作為一款MAX809微處理器復位芯片，用于監控微控制器和其他邏輯系統的電源電壓，可以在上電、掉電和節電情況下向微控制器提供復位信號。本模塊使用電壓門限值2.6～2.66V，當系統電壓低于門限值時，復位信號輸出，直到系統電壓恢復到正常電壓為止，電路結構如圖2所示。

1.2.3接口電路

接口電路部分，UM220III-N提供串口、IIC、SPI接口。其中串口包括2個串口，都是TVLL電平，UART1[7]用于數據的輸出和固件升級，因此使用MAX3232[8]將TVLL電平轉換為RS232[9]電平，作為Nemobg數據輸出的主要信息交互接口。另外，UART2、IIC、SPI接口直接引出，作為系統保留接口，方便本模塊應用于其他嵌入式設計領域。

1.2.4天饋及阻抗匹配

Nemobg采用3V的有源微帶天線，因此可以直接從UM220III-N的VCC_RF引腳通過饋電電感給天線饋電，電路結構如圖3所示。本部分線路在PCB板設計時，要做50 Ω阻抗匹配[10]。

圖2　復位電路

圖3　天線接口電路

1.2.5數據存儲

此外，為了使Nemobg具有數據存儲能力，兼顧系統升級固件需要，使用板載IIC總線，通過CAT24C256[11]擴展了一塊大小為256k的EEPROM。完成的Nemobg實物圖如圖4所示。

圖4　Nemobg實物

2軟件測試設計

在上述硬件設計的基礎上，通過設計一系列實驗，評價Nemobg的性能，這些測試實驗應該包括常規條件下的單點定位精度評定、精度漂移估計、定位時間估計，遮擋干擾條件下的影響，多路徑干擾下的影響等內容。

而為了獲得測試實驗所獲得的數據需進行軟件測試設計。將Nemobg與自主開發的基于TMS320F28335[12]飛控開發板級聯進行Nemobg的軟件測試。

Nemobg輸出的導航數據協議基于NEMA0813[13]，擴展兼容BD的數據協議，即Unicore協議[14]。

在該數據協議中，輸入和輸出的語句統稱為消息，而每條消息是由全ASCII字符組成的字符串。

消息的基本格式為：

$MSGNAME,data1,data2,data3,…[*CC]

例如：

$GNRMC,070552.000,A,3031.670883,N,11421.413536,E,0.190,267.283,300414,,E,A*32

$GNGGA,070553.000,3031.670888,N,11421.413483,E,1,20,0.905,84.012,M,0,M,,*5F

$GNGLL,3031.670888,N,11421.413483,E,070553.000,A,A*45

所有的消息都以‘$’(0x24)開始，后面是消息名。之后跟有不定數目的參數或數據。消息名與數據之間均以逗號(0x2C)進行分隔。最后一個參數之后是可選的校驗和，以‘*’(0x2A)與前面的數據分割。最后，輸入的消息可以以‘ ’(0x0D)或‘ ’(0x0A)或兩者的任意組合結束。輸出的消息以“ ”結束。

每條消息的總長度不超過256個字節。消息名和參數、校驗和中的字母均不區分大小寫。

本研究主要測試Nemobg的定位性能，因此本次軟件測試選取接收$G*GGA數據作為案例。

$G*GGA語句是衛星導航模塊定位的一條主要語句，也是使用最廣的數據。

其中$G*GGA數據語句在Unicore的協議內定義如表2所示。

表2　$G*GGA數據語句在Unicore協議內定義

本次Nemobg接收數據軟件測試，在DSP飛控開發板上進行，測試采用DSP飛控開發板串口中斷的方式進行$G*GGA語句的接收(其他語句可以根據需要接收)，預設的通信波特率為9 600 bps。

根據數據結構，使用串口中斷接收Nemobg數據的主函數流程圖和中斷服務函數流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5　主函數 圖6　中斷服務函數

在整個軟件中，系統初始化函數[15]主要完成DSP運行的配置，包括系統初始化寄存器、時鐘、PLL、看門狗、外設引腳、中斷向量表、外設模塊的初始化等。本次涉及外設主要是串口模塊，需要配置相關的寄存器和波特率設置等。

中斷處理函數是主要的功能實現函數，其運行過程為：首先，響應中斷服務函數，進入中斷處理BD/GPS導航模塊發過來的導航原始信息；其次，清空存放BD/GPS定位的結構體變量，尋找$GNGGA標識頭，以該標識頭篩選出要讀取BD/GPS導航定位語句；再次，置標志位，將$GNGGA的字句信息存儲到BD/GPS定位信息結構體指針變量中；最后，判斷該語句信息是否接收完，并且進行和校驗，如果校驗有效，則置數據有效標志位，退出中斷，進入該信息進一步處理函數。

導航信息處理函數主要處理$G*GGA定位語句，包括從語句多種字段中提取經緯度和高程的字段；將經緯度的度分秒格式換算成度格式；將經緯度和高度值通過坐標轉換算法轉換到WGS84平面坐標系下xyH坐標值[16]；輸出數據到相應的文件中。

3結束語

經相關測試，Nemobg單模BD模式水平定位精度在5 m以內，單模GPS模式水平定位精度在7 m以內，雙模BD/GPS模式水平定位精度在4 m以內。實際測試證明Nemobg雙模BD/GPS模式定位時，所測試的定位點更集中，更接近測試點精確坐標。

本文設計實現了一款BD/GPS雙模通用衛星導航模塊，可用于包括無人飛行器自主飛行控制與導航在內的多個領域。經過相關測試，測得的性能指標包括：

1) 支持雙模組合導航，單模BD導航系統或GPS導航系統3種模式。

2) 水平方向圓概率誤差4 m(開闊地)。

3) 可自動復位，具有掉電自恢復功能。

4) 輸入電壓3～6.5 V，寬電壓輸入。

5) 板載EEPROM，具有數據存儲功能。

由上面性能指標，可知該Nemobg達到設計需求，該設計在飛控系統中可用性好，工作穩定可靠，定位模式多種，定位精度優于單GPS系統或者單BD系統，滿足實時導航定位要求，并可作為一款通用導航定位模塊適，用于絕大多數相關應用場合。

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(責任編輯楊繼森)